第4章（地下水及其对工程的影响）

第四章

地下水及其对工程的影响一、地下水的类型与特征二、地下水的埋深、水位与动态三、地下水的作用及其对工程的影响本章内容Hydrologiccycle地下水:是指埋藏于地下岩土体空隙中的水份。

地下水的存在及运动，都会对地下岩土体的成份、结构以及相关的地质地貌形态产生改造，因而地下水也是一种动力因素，当然，它同时也是一种极端重要的资源。第一节地下水的类型与特征1．自然界的水循环

地球上除了存在于各种矿物中的化合水、结合水，以及为深部岩石所封存的水分以外，海洋、河流、湖泊、地下水、大气水分和冰川，共同构成地球的水圈。

而水是地球表面分布最广和最重要的的物质，并作为最活跃的因素始终参与地球地理环境的形成和发展过程，在所有自然地理过程中都不可或缺。地球的水量估计(1)概念与过程

水不断的蒸发、输送、凝结、降落的往返运动过程称为水循环。

水循环成因：

内因——水的“三态”变化；外因——太阳辐射和地心引力。

水循环过程3个阶段：蒸发（Evaporation）、降水（Precipitation）、径流（Runoff)；

全球水循环过程和数量(2)水循环的类型根据水分循环的路径和规模，可分为两种：◆大循环——海陆之间的水分交换过程，也称为海陆间循环。◆小循环——水仅在海洋或陆地内完成的循环过程。分：海洋小循环陆地小循环。（3）水量平衡(WaterBalance)

全球水量平衡方程：PC+PO=EC+EO

式中，PC为大陆降水量；PO为海洋降水量；EC为大陆蒸发量；EO为海洋蒸发量。年平均大洋水平衡方程：P+R-E=0或P+R=E即大洋年降水量加入海径流量等于大洋年蒸发量。全球年水量平衡(GlobalWaterBalance)

2．地下水的来源：一般从四个方面得到补充，包括：①入渗水：即大气降水和地表水渗入地下进入地下水系统中；②冷凝水：大气中的水汽因温度变化而过饱和冷凝为液态下渗——如干旱沙漠中的地下水；③初生水：也叫原生水，指自然因素下，H2、O2发生化合而形成的H2O。在火山区，变质地区常见。④埋藏水：指过去因地质原因被封闭于地下的“水包”现被破坏后释放出来的水。此外还有人工补给来源以及不同类型地下水之间相互补给来源等包气带水：地表浅层不饱和水份带中的水潜水：第一个广泛分布稳定隔水层上饱和带中的重力水。承压水：两个隔水层间含水层中的液态水。3．地下水的类型（1）依据埋藏特点的不同，分为：Air-containingzone包气带Impermeablelayer隔水层Suspendingwater悬着水Stagnantwater上层滞水Unconfinedwater潜水Watertable潜水面Confinedwater层间水孔隙水（松散堆积层如，河流冲积物中）

裂隙水（基岩、黄土裂隙）

岩溶水（黄土、石灰岩洞穴）（2）依据含水层（含水空隙）的性质分水是自然界最常见的溶剂，地下水又与地下岩土体有更直接的接触关系，同时地下水还承受一定的压力，这都决定了地下水有更强的溶解能力。地下水中主要含有三类物质。4．地下水的成份（1）气体O2N2Cl2H2SH2NH3CH4CO主要气体次要气体上述气体溶于水中，使地下水酸度增大，促使地下水与岩石（尤其可溶岩）发生反应造成溶蚀，如果与建筑基础材料接触，也会对建筑基础形成腐蚀。（2）可溶盐离子阳离子：主要K+Na+Ca2+Mg2+次要Fe3+Fe2+Mn2+Si4+

H+NH+3阴离子：主要Cl-SO2-4HCO-3

次要OH-NO-3CO2-3­­NO-2

（3）胶体物质主要有Fe(OH)2Mg(OH)2SiO2(胶)Al(OH)3等以及一些有机质（如腐殖酸）。此外，自然还应携带较多的极细微碎屑物质。

5．地下水的化学物理特征（1）化学性质地下水的酸碱性：取决于水中氢离子浓度，常用pH值表示。

强酸性（pH<5)弱酸性（pH=5～7)中性（pH＝7)弱碱性（pH=7～9)强碱性（pH>9)

根据地下水pH值的大小，将水分成以下几级：地下水的矿化度地下水中所含各种离子、分子与化合物的总量称为矿化度（mineralizeddegree)，以每升水中所含的克数（g/L)表示。

地下水的矿化度分类表类别总矿化度（g/L)类别总矿化度（g/L)淡水小于1弱矿化水1～3中矿化水3～10高矿化水10～30咸水大于30地下水的硬度水的硬度（hardnessofwater)取决于水中Ca2+、Mg2＋的含量。硬度分为：总硬度、暂时硬度、永久硬度等。总硬度＝暂时硬度＋永久硬度我国目前采用德国度（Germandegree)表示，1德国度相当于1L水中含有10mg的氧化钙（CaO）极软水（小于4.2德国度）软水（4.2～8.4德国度）微硬水（8.4～16.8德国度）硬水（16.8～25.2德国度）极硬水（大于25.2德国度）。（2）物理性质颜色：地下水一般是无色的，但有时由于某种离子含量较多，或者富集悬浮物和胶体物质，则可显示出各种各样的颜色;透明度:取决于其中的固体与胶体悬浮物的含量。按透明度将地下水分4级：透明的微浊的浑浊的极浑的嗅味：地下水通常无气味，但当其中含有某些离子或某种气体时，出现特殊的气味。味道：取决于地下水的化学成分，纯水是无味的，但由于地下水中多少溶解了一些盐类或气体，因此，具有一定味感。

第二节地下水的埋藏特征

常用的地下水分类是按埋藏特征分为包气带水、潜水和承压水三类，一般以潜水作为地下水的最上层类型，因此，地下水中的许多用语多与潜水特征有关。

指地下水面距离地面的高度在某一地区，将相同埋深的各点联成圈闭曲线，则构成地下水等埋深线图，可直观判别地下水的埋藏深浅。

地下水的埋深指以海拔高程表示的地下水（潜水）水面的高度。将相同高程的各水面点联成圈闭曲线，则构成地下水等水位线图，它不能反映地下水的埋深大小（需与地形图配合使用才行），但由可它判断地下水的流向和流速快慢。

地下水位一、包气带水包气带水：位于潜水面以上未被水饱和的地下水。土壤水；上层滞水（一)土壤水：埋藏于包气带土壤层中的水。（二）上层滞水：包气带中局部隔水层之上的重力水。①上层滞水接近地表，补给区和分布区一致②接受大气降水补给，以蒸发的形式排泄③雨季获得补充，旱季水量逐渐消耗，或干涸④上层滞水一般含盐量低，易受污染⑤水量不大，季节变化强烈包气带和饱气带水示意图二、潜水（一)潜水及其特征

潜水：埋藏于地表以下第一个稳定隔水层之上的具有自由水面的重力水。潜水的要素；潜水位：潜水面任意一点的高程（H）埋藏深度：潜水面至地面的距离（T）含水层厚度：潜水面至隔水底板的垂直距离潜水埋藏示意图１—沙层；2—隔水层；3—含水层；4—潜水面；5—基准面；T—潜水埋藏深度；H0—含水层厚度；H—潜水位1．潜水的特征根据潜水的埋藏条件，潜水具有以下基本特征；（1）潜水具有自由水面（2）潜水的分布区和补给区基本上是一致的（3）潜水的动态随季节不同而有明显变化（4）上部因无连续隔水层覆盖，易受到污染2．潜水面的形状及其表示方法（1）潜水面的形状在自然界中，潜水面的形状因时因地而异，受地形、地质、气象、水文等自然因素和人为因素的影响。

一般情况下，潜水面不是水平的，邻近洼地是倾斜的曲面。潜水面的形状与地形有一致性，一般地面坡度越陡，潜水面坡度也越大。但潜水面坡度总是小于地面坡度，比地形要平缓得多。气象、水文因素会直接影响潜水面的变化，如大气降水和蒸发，可使潜水面上升或下降。（2）潜水面的表示方法常用两种图示方法，两种方法常配合使用。剖面图；平面图剖面图:根据钻孔、试坑和井、泉的地层柱状图资料，绘制地质剖面图。后画出剖面图上各井、孔等的潜水位、连出潜水面，即绘成潜水剖面图。平面图：等水位线图。其绘制方法与绘制地形等高线图基本相同，潜水面随季节变化非常明显，所以等水位线图要注明测定水位的日期。水文地质剖面图1—粘性土；2—砂；3—砂砾石；4—砂；5—页岩；6—石灰岩；7—地下水位潜水等水位线图及埋藏深度图1—地形等高线；2—等水位线；3—等埋深线；4—潜水流向；5—潜水埋藏深度为零区；6—埋深0-2m区；7—埋深2-4m区；8—埋深大于4m区根据潜水等水位线图可以解决下列问题：

1)确定潜水的流向

2)确定潜水面的坡度

3)确定潜水与河水的相互关系

4)确定潜水的埋藏深度

5)确定含水层的厚度

6)推断含水层透水性及厚度的变化三、承压水（一)承压水及其特征承压水：是充满于两个稳定隔水层之间的具有静水压力的重力水。隔水顶板：承压水含水层上部的隔水层。隔水底板：下部的隔水层。承压含水层的厚度:

稳定水位：初见水位：正水头：承压水位高出地面的称作（H1)，负水头：低于地面的称作（H2)。承压水的埋藏条件，决定了它与潜水具有不同的特征：1)具有承压性能，其顶面为非自由水面；2)分布区与补给区不一致；3)动态受气象、水文因素的季节性变化影响不显著；4)厚度稳定不变，不受季节变化的影响；5)水质不易受到污染。（三)承压水等水压线图承压水等水压线：承压水位标高相同点的连线。根据等水压线图，可以分析确定以下几个问题：1)确定承压水的流向2)计算承压水某地段的水力坡度3)确定承压水位距地表的深度4)确定承压含水层的埋藏深度5)确定承压水头的大小承压水位与含水层顶板高程之差，即为承压水头高度。承压水位标高相同点的连线，便是承压水等水压线。等水压线图，可反映承压水（位）面的起伏情况。潜水面实际存在，承压水面是一个势面，可与地形极不吻合，甚至高出地面。承压水等水压线图通常要附以含水层顶板等高线。第三节地下水的补给、径流、排泄条件

一、地下水的补给地下水的补给：地下水含水层从外界获得水量的过程称。地下水的补给来源：（一)大气降水的补给（二)地表水的补给河水补给地下水.swf（三)凝结水的补给（四)含水层之间的补给（五)人工补给注水隆升.WMV二、地下水的径流地下水的径流：地下水在岩层空隙中的流动过程。（一)地下水径流的产生及影响因素重力和自然地质营力是径流产生的根本原因。地下水径流主要受下列因素影响：（1)含水层的空隙性（2)地下水的埋藏条件（3)补给量（4)地形（5)地下水的化学成分（6)人为因素（二）地下径流量的表示方法径流率（径流模数M）：单位（1km2）含水层面积上的地下水流量（m3/（S•km2）如：年平均地下径流率可按下式计算：受补给、径流条件的控制，其数值大小是随地区和季节而变化的。三、地下水的排泄地下水的排泄：含水层失去水量的过程。地下水的排泄方式：泉、河流、蒸发、人工排泄。

抽水地面沉陷.WMV（一)泉水排泄泉：地下水的天然露头。自流形成原理.swf（2)泉的分类按其补给来源1)上层滞水泉2)潜水泉3)承压水泉根据泉的出露原因可分为：

1)侵蚀泉2)接触泉3)溢出泉4)断层泉（二)向地表水的排泄地表水接受地下水排泄的方式有两种：散流式，集中式：（三)蒸发排泄蒸发：水由液态变为气态的过程。是垂直排泄排泄形式。土壤蒸发；植物蒸发（蒸腾）；受温度、湿度、风速、埋深、岩性影响。（四）不同类型含水层之间的排泄作用潜水承压水承压水潜水补给条件：水流通道；有水位（头)差。地下水可沿岩石中的连通孔隙或土颗粒间隙作缓慢流动，称为渗流。在工程地质中，一般将渗流作为层流对待，因此其流动符合达西定律；即：Q=k.A.iQ——渗透流量m3/d；k——渗透系数m/dA——过水断面积；i——水力坡度。四、地下水的运动（1）达西定律QSoilssample

Ah1h2Lbucket渗透系数试验装置示意其中渗透系数k值是衡量所有岩土体渗透性大小的主要指标，一般规定：k≥0.001m/d称透水层k<0.001m/d称隔水层各类岩土的渗透系数值可参考相关资料。

地下水的运动尽管缓慢，但对地下岩土体仍可产生较大程度的冲刷，如黄土中经常出现的地下土洞就是地下水冲刷作用的结果。

（2）地下水流向井的稳定运动

地下水向潜水完整井运动裘布依公式：K——渗透系数，m／d；H——潜水含水层天然水位，m；h——井内动水位至含水层底板的距离，m；R——影响半径，m；r——井半径或管井过滤器半径，m。

地下水向承压水完整井运动M——承压含水层厚度，m；s——承压井抽出时井内的水位下降值，m。裘布依公式：五、地下水的动态**在各种有关因素的影响下，地下水的水位，水量、水质随时间作有规律的变化过程，称为地下水动态。自然因素：气象、水文、地质、土壤和生物等潜水动态，气象和水文因素的作用是主要的。承压水动态，气象和水文因素的影响较小，而地质因素的影响相对增强。（1）地下水动态的影响因素

人为因素：采水、排水、修建水库，利用地表水灌溉，跨流域调水等（2）地下水天然动态类型渗入——蒸发型动态：主要出现于干旱、半干旱的平原与山间盆地中；渗入——径流型动态：补给也来自降水或地表水的入渗，排泄则主要为水平的径流流泄。

渗入——蒸发、径流型动态：主要分布于湿润气候下的平原。

第四节地下水的作用及其对工程的影响*潜蚀：地下水对地下岩土体的化学溶蚀与机械冲刷作用，称为潜蚀。黄土塌陷地下岩溶指地下水通过运动对岩土体造成的机械冲刷与携带作用。在建筑地基岩石中，其作用形式主要有：1．地下水的冲蚀作用（1）流土与管涌流土：指成份比较均一（级配良好）的固体颗粒随地下水运动而从岩土体中流失的过程。管涌：指细颗粒在水头作用下从大颗粒支架起的空隙中运动流失进而造成岩土体结构瓦解的作用（级配不良，如：在河床相沉积层中）。（2）黄土岩溶

指地下水的掏挖引起黄土上层塌陷形成黄土漏斗（碟）、窝穴等类似可溶岩区岩溶的现象。2．地下水的溶蚀作用

地下水以其溶解能力及携带酸性成份的化学反应能力对可溶岩（石灰岩、白云岩、建筑砼基础等）进行溶解侵蚀、携带以及再结晶的过程称为地下水的溶蚀作用。（1）岩溶：也称喀斯特（Karst），特指可溶岩石区在地下水的溶蚀作和下形成的一系列地貌景观总和，包括落水洞、地下河、溶洞以及溶洞内的石笋、石钟乳、石柱、石幔等微景观，主要反应是：CaCO3+H2O+CO2Ca(HCO3)2

（2）建筑基础的腐蚀地下水对建筑基础中的某些材料也可产生腐蚀，